声表面波高温压力传感器研究

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高温压力传感器技术是高温恶劣环境下监测和维护机器设备运行状态的关键技术。在新时代的国防建设、科技创新、能源开发的发展需求下,高温压力传感器技术的发展面临着多参数复合测量、无源化、无线组网的趋势。高温声表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)传感器可在高温恶劣环境下工作,能够测量温度、压力等多种参数,能够实现无线无源组网。因此,SAW技术成为了高温压力传感器研究中最有潜力的技术之一。  SAW高温压力传感器技术随着高温压电材料的研究而发展进步,其中在1000℃以上的高温下能够保持良好的压电性能和机械性能的硅酸镓镧(Langasite,LGS)材料的研究趋于成熟,成为了SAW高温传感器的优选压电基材。论文以LGS为高温压电基材,研究了SAW高温压力传感器从切向和压力灵敏度整体优化到高温材料声学参数提取、传感器结构、SAW器件和采集器电路的整体过程。论文首先介绍了传感器研究过程中涉及的重要理论方法,其中包括压力传感器温度、压力灵敏度计算方法、精确耦合模(Couple-of-Mode,COM)参数提取的有限元/边界元(Combined Finite Element Method and Boundary Element Method,FEM/BEM)方法和SAW器件模拟等。然后在此理论基础上开展SAW压力传感器的设计、制作和实验。  论文结合微扰理论和有限元方法,计算SAW压力灵敏度,并首次综合考虑了切向和压力敏感结构的整体灵敏度优化方法。论文基于多层膜FEM/BEM方法,在COM参数提取过程中引入托普利兹(Toeplitz)矩阵的快速递推求拟算法,优化了周期SAW结构的有限长FEM/BEM算法,使得有限长FEM/BEM周期结构方程求解计算降了一阶复杂度,加快了COM参数提取速度,完成SAW器件设计的重要前期工作。然后,在SAW器件设计中考虑了适合SAW压力传感器感压结构的版图设计和测试接口。为了满足未来可能量化应用的需求,研究了面压式SAW压力传感器的改良结构下的器件设计,同时为了能够实现高温实验,研究了全金属结构点压式封装的LGS SAW压力传感器并辅助设计了以石英为基底的压力传感器作为对比实验的对象。最后配合SAW传感器无线无源的特性,设计采集电路,形成一套完整的SAW传感系统。  此外,论文介绍了针对高温压力传感器测试的平台搭建,平台包括压力源、高温炉、网络分析仪和特殊设计的SAW传感器测试夹具,并利用激光焊接技术制作测试密闭空腔以及高温引线。基于本实验平台,最终实现了SAW高温压力传感器高温条件下(500℃以上)的温度和压力交叉测试。并在可行的温度范围内进行了传感器热力解耦研究。通过实验比较得出LGS的高温性能优良,测温性能良好,适合作为SAW高温压力传感器的材料。本文研究并制作的LGS和石英的两种类型的SAW压力传感器灵敏度分别为-280.81ppm/MPa和952.75ppm/MPa,与实验的平均结果(分别为-167.03ppm/MPa和802.68ppm/MPa)较能吻合。另外LGS和石英两种SAW压力传感器都实现了一定温度范围内的热力解耦,增加了SAW高温压力传感器实用测量的可行性。  论文最后根据实验测试结果,以及SAW传感器和高温压力测试平台的设计经验和不足,为今后SAW高温压力传感器的研究提供参考,并提出本研究中有待进一步解决的问题。
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